一、單晶硅
硅在集成電路和微電子器件生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，主要是利用硅的電學(xué)特性;在MEMS微機(jī)械結(jié)構(gòu)中，則是利用其機(jī)械特性，繼而產(chǎn)生新一代的硅機(jī)電器件和裝置。硅材料儲(chǔ)量豐富，成本低。硅晶體生長(zhǎng)容易，并存在超純無(wú)雜的材質(zhì)，不純度在十億分這一的量級(jí)，因而本身的內(nèi)耗小，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)可高達(dá)10^6數(shù)量級(jí)。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)奈⒒顒?dòng)結(jié)構(gòu)，如微傳感器，能達(dá)到極小的遲滯和蠕變、極佳的重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及高可靠性。所以用硅材制作硅壓阻壓力傳感器，有利于解決長(zhǎng)困擾傳感器領(lǐng)域的3個(gè)難題——遲滯、重復(fù)性及長(zhǎng)期漂移。
硅材料密度為2.33g/cm^2，是不銹鋼密度的1/3.5，而彎曲強(qiáng)度卻為不銹鋼的3.5倍，具有較高的強(qiáng)度/密度比和較高的剛度/密度比。單晶硅具有很好的熱導(dǎo)性，是不銹鋼的5倍，而熱膨脹系數(shù)則不到不銹鋼的1/7，能很好地和低膨脹Invar合金連接，并避免熱應(yīng)力產(chǎn)生。單晶硅為立方晶體，是各向異性材料。許多機(jī)械特性和電子特性取決于晶向，如彈性模量和壓阻效應(yīng)等。
單晶硅的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)高。在同樣的輸入下，可以得到比金屬應(yīng)變計(jì)更高的信號(hào)輸出，一般為金屬的10-100倍，能在10^-6級(jí)甚至10^-8級(jí)上敏感輸入信號(hào)。硅材料的制造工藝與集成電路工藝有很好的兼容性，便于微型化、集成化及批量生產(chǎn)。硅可以用許多材料覆蓋，如氮化硅，因而能獲得優(yōu)異的防腐介質(zhì)的保護(hù)。具有較好的耐磨性。
綜上所述，硅材料的優(yōu)點(diǎn)可歸為：優(yōu)異的機(jī)械特性;便于批量微機(jī)械結(jié)構(gòu)和微機(jī)電元件;與微電子集成電路工藝兼容;微機(jī)械和微電子線(xiàn)路便于集成。
正是這些優(yōu)點(diǎn)，使硅材料成為制造微機(jī)電和微機(jī)械結(jié)構(gòu)最主要的優(yōu)選材料。但是，硅材料對(duì)溫度極為敏感，其電阻溫度系統(tǒng)接近于2000×10^-6/K的量級(jí)。因此，凡是基于硅的壓阻效應(yīng)為測(cè)量原理的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這是不利的一面;而可利用的一面則是，在測(cè)量其他參數(shù)的同時(shí)，可以直接對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。
二、多晶硅
多晶硅是許多單晶(晶粒)的聚合物。這些晶粒的排列是無(wú)序的，不同晶粒有不同的單晶取向，而每一晶粒內(nèi)部有單晶的特征。晶粒與晶粒之間的部位叫做晶界，晶界對(duì)其電特性的影響可以通過(guò)摻雜原子濃度調(diào)節(jié)。多晶硅膜一般由低壓化學(xué)氣相淀積(LPVCD)法制作而成，其電阻率隨摻硼原子濃度的變化而發(fā)生較大變化。多晶硅膜的電阻率比單晶硅的高，特別在低摻雜原子濃度下，多晶硅電阻率迅速升高。隨摻雜原子濃度不同，其電阻率可在較寬的數(shù)值范圍內(nèi)變化。
多晶硅具有的壓電效應(yīng)：壓縮時(shí)電阻下降，拉伸時(shí)電阻上升。多晶硅電阻應(yīng)變靈敏系統(tǒng)隨摻雜濃度的增加而略有下降。其中縱向應(yīng)變靈敏系數(shù)最大值約為金屬應(yīng)變計(jì)最大值的30倍，為單晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)最大值的1/3;橫向應(yīng)靈敏系數(shù)，其值隨摻雜濃度出現(xiàn)正負(fù)變化，故一般都不采用。此外，與單晶硅壓阻相比，多晶硅壓阻膜可以在不同的材料襯底上制作，如在介電體(SiO2、Si3N4)上。其制備過(guò)程與常規(guī)半導(dǎo)體工藝兼容，且無(wú)PN結(jié)隔離問(wèn)題，因而適合更高工作溫度(t≥200℃)場(chǎng)合使用。在相同工作溫度下，多晶硅壓阻膜與單晶硅壓阻膜相比，可更有效地抑制溫度漂移，有利于長(zhǎng)期穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)。多晶硅電阻膜的準(zhǔn)確阻值可以通過(guò)光刻手段獲得。
綜上所述，多晶硅膜具有較寬的工作溫度范圍(-60~+300℃)，可調(diào)的電阻率特性、可調(diào)的溫度系數(shù)、較高的應(yīng)變靈敏系數(shù)及能達(dá)到準(zhǔn)確調(diào)整阻值的特點(diǎn)。所以在研制微傳感器和微執(zhí)行器時(shí)，利用多晶硅膜這些電學(xué)特性，有時(shí)比只用單晶硅更有價(jià)值。例如，利用機(jī)械性能優(yōu)異的單晶硅制作感壓膜片，在其上覆蓋一層介質(zhì)膜SiO2，再在SiO2上淀積一層多晶硅壓阻膜。這種混合結(jié)構(gòu)的微型壓力傳感器，發(fā)揮了單晶硅和多晶硅材料各自的優(yōu)勢(shì)，其工作高溫至少可達(dá)200℃，甚至300℃;低溫為-60℃。
三、硅-藍(lán)寶石
硅-藍(lán)寶石材料是通過(guò)外延生長(zhǎng)技術(shù)將硅晶體生長(zhǎng)在藍(lán)寶石(α-Al2O3)襯底上形成的。硅晶體可以認(rèn)為是藍(lán)寶石的延伸部分，二者構(gòu)成硅-藍(lán)寶石SOS(Silicon On Sapphire)晶片。藍(lán)寶石材料為絕緣體，在其上面淀積的每一個(gè)電阻，其電性能是完全獨(dú)立的。這不僅能消除因PN結(jié)泄漏而產(chǎn)生的漂移，還能提供很高的應(yīng)變效應(yīng)和高溫(≥300℃)環(huán)境下的工作穩(wěn)定性。藍(lán)寶石材料的遲滯和蠕變小到可以忽略不計(jì)的程度，因而具有極好的重復(fù)性;藍(lán)寶石又是一種惰性材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕，抗輻射能力強(qiáng);藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高。
綜上所述，充分利用硅-藍(lán)寶石的特點(diǎn)，可以制作出具有耐高溫、耐腐蝕及抗輻射等*性能的傳感器和電路;但要獲得精度高、穩(wěn)定可靠的指標(biāo)，還必須解決好整體結(jié)構(gòu)中材料之間的熱匹配性，否則難以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。由于硅-藍(lán)寶石材料又脆又硬，其硬度僅次于金剛石，制作工藝技術(shù)比較復(fù)雜。
四、化合物半導(dǎo)體材料
硅是制作微機(jī)電器件和裝置的主要材料。為了提高器件和系統(tǒng)的性能以及擴(kuò)大應(yīng)用范圍，化合物半導(dǎo)體材料在某些專(zhuān)門(mén)技術(shù)方面起著重要作用。如在紅外光、可見(jiàn)光及紫外光波段的成像器和探測(cè)器中，PbSe、InAs、Hg1-xCdxTe(x代表Cd的百分比)等材料得到日益廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)以紅外探測(cè)器為例加以說(shuō)明。利用紅外幅射與物質(zhì)作用產(chǎn)生的各種效應(yīng)發(fā)展起來(lái)的，實(shí)用的光敏探測(cè)器，主要是針對(duì)紅外幅射在大氣傳輸中透射率最為清晰的3個(gè)波段(1-3μm，3-5μm，8-14μm)研制的。對(duì)于波長(zhǎng)1-3μm敏感的探測(cè)器有PbS、InAs及Hg0.61Cd0.39Te;對(duì)于波長(zhǎng)3-5μm敏感的探測(cè)器有InAs、PbSe及Hg0.73Cd0.27Te;對(duì)于波長(zhǎng)8-14μm敏感的探險(xiǎn)測(cè)器則有Pb1-xSnxTe、Hg0.8Cd0.2Te及非本征(摻雜)半導(dǎo)體Ge:Hg,Si:Ga及Si:Al等。其中3元合金Hg1-xCdxTe是一種本征吸收材料，通過(guò)調(diào)整材料的組分，不僅可以制成適合3個(gè)波段的器件，還可以開(kāi)發(fā)更長(zhǎng)工作波段(1-30μm)的應(yīng)用，因而備受人們的關(guān)注。
須指出的是，上述材料需要在低溫(如77K)下工作。因?yàn)樵谑覝叵拢捎诰Ц裾駝?dòng)能量與雜質(zhì)能量的相互作用，使熱激勵(lì)的載流子數(shù)增加，而激發(fā)的光子數(shù)則明顯減少，從而降低了波長(zhǎng)區(qū)的探測(cè)靈敏度。
五、SiC薄膜材料
SiC是另一種在特殊環(huán)境下使用的化合物半導(dǎo)體。它由碳原子和硅原子組成。利用離子注入摻雜技術(shù)將碳原子注入單晶硅內(nèi)，便可獲得優(yōu)質(zhì)的立方體結(jié)構(gòu)的SiC。隨著摻雜濃度的差異得到的晶體結(jié)構(gòu)不同，可表示為β-SiC。β表示不同形態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)。用離子注入法得到的SiC材料，自身的物理、化學(xué)及電學(xué)特性?xún)?yōu)異，表現(xiàn)出高強(qiáng)度、大剛度、內(nèi)部殘余應(yīng)力很低、化學(xué)惰性極強(qiáng)、較寬的禁帶寬度(近乎硅的1-2倍)及較高的壓阻系數(shù)的特性;因此，SiC材料能在高溫下耐腐蝕、抗輻射，并具有穩(wěn)定的電學(xué)性質(zhì)。非常適合在高溫、惡劣環(huán)境下工作的微機(jī)電選擇使用。
由于SiC單晶體材料成本高，硬度大及加工難度大，所以硅單晶片為襯底的SiC薄膜就成為研究和使用的理想選擇。通過(guò)離子注入，化學(xué)氣相淀積(VCD)等技術(shù)，將其制在Si襯底上或者絕緣體襯底(SiCOI)上，供設(shè)計(jì)者選用。例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、導(dǎo)彈及衛(wèi)星等耐熱腔體及其表面部位的壓力測(cè)量，便可選用以絕緣體為襯底的SiC薄膜，作為感壓元件(膜片)，并制成高溫壓力微傳感器，實(shí)現(xiàn)上述場(chǎng)合的壓力測(cè)量。測(cè)壓時(shí)的工作溫度可達(dá)到600℃以上。
除使用單晶SiC(Single-SiC)薄膜外，在MEMS的許多應(yīng)用場(chǎng)合，還可選用多晶SiC(Poly-SiC)薄膜。與單晶SiC薄膜相比，多晶SiC的適用性更廣。它可以在多種襯底(如單晶硅、絕緣體、SiO2犧牲層及非晶硅等)上，采用等離子體強(qiáng)化氣相淀積，物理濺射、低壓氣相淀積及電子束放射等技術(shù)生長(zhǎng)成薄膜，供不同場(chǎng)合選擇使用。
總之，SiC是一種具有優(yōu)良性質(zhì)的材料，具有寬帶隙、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速度及優(yōu)良的力學(xué)和化學(xué)性能。這些特性使SiC材料適合制造高溫、高功率及高頻率電子器件時(shí)選用;也適合制造高溫半導(dǎo)體壓力傳感器時(shí)選用。
